礦用挖掘機(jī)回轉(zhuǎn)動(dòng)臂偏心角臨界值研究

張 明，蔡安江

（西安建筑科技大學(xué)，陜西西安 710055）

0 引言

大型機(jī)械式挖掘機(jī)在礦山開采及工程施工中得到廣泛的應(yīng)用，大型挖掘機(jī)的性能和水平代表國家的工業(yè)水平和科學(xué)技術(shù)水平。銷軸作為連接的重要部件，銷軸累計(jì)磨損導(dǎo)致斷裂，會降低挖掘機(jī)工作效率，甚至造成工程事故和人員傷亡。

許多學(xué)者對銷軸的磨損進(jìn)行了研究，范寧等[1]針對在重型卡車運(yùn)行中，由于橫向振動(dòng)的影響使得聯(lián)接車架與貨箱的銷軸磨損嚴(yán)重。根據(jù)多體動(dòng)力學(xué)理論，建立車輛的橫向振動(dòng)模型，以此為基礎(chǔ)搭建系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，分析不同因素對磨損的影響。鐘茗秋等[2]以港口起重機(jī)械作業(yè)環(huán)境和作業(yè)工況比較惡劣，易發(fā)生銷軸磨損。利用有限元分析軟件ANSYS 接觸分析功能分析輪胎式起重機(jī)臂架根部銷軸磨損前后對鉸支座結(jié)構(gòu)受力的影響。張蔚峰等[3]針對某大型重載懸掛發(fā)射裝置的掛鉤解鎖異?，F(xiàn)象，對掛鉤組件的磨損因素進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)和仿真研究。

金堆城WK-4 礦用挖掘機(jī)WK-4A 型機(jī)械式挖掘機(jī)工作時(shí)暴露出結(jié)構(gòu)問題，起重臂支撐踵與車架通過銷軸連接，在工作過程中由于銷軸所受剪力過大，導(dǎo)致銷軸產(chǎn)生磨損，進(jìn)而斷裂，導(dǎo)致起重臂產(chǎn)生擺動(dòng)，嚴(yán)重影響工作效率，甚至發(fā)生嚴(yán)重的工程事故。

選取挖掘機(jī)滿載回轉(zhuǎn)制動(dòng)時(shí)作為分析工況，斗臂全伸出，方向處于水平，斗內(nèi)裝滿礦石啟動(dòng)回轉(zhuǎn)，在回轉(zhuǎn)中制動(dòng)。動(dòng)臂方向受力為[4]式（1），縱向受力為式（2）。

式中 Q——提升力，N

Pt——與提升力Q 相對應(yīng)的卷筒周邊鋼繩拉力，N

S——蹦繩力，N

Gbi——起重臂重力，作用于起重臂中心處

γ——與提升力相對應(yīng)的卷筒周邊鋼繩拉力和起重臂的夾角

δ——綁繩與起重臂間夾角，δ=30°

α——起重臂與回轉(zhuǎn)平臺間夾角，α=45°

Lbi——起重臂長度

當(dāng)平臺回轉(zhuǎn)啟動(dòng)或制動(dòng)時(shí)，發(fā)生慣性力與離心力，造成起重臂的附加載荷。如圖1 動(dòng)臂根部的孔將會出現(xiàn)“啃”銷軸及工作副間“別勁”的現(xiàn)象[5]。

孔體部分與銷軸部分兩點(diǎn)接觸，受力特征為：δr-front≤0，δr-back＞0；δa-front＞0，δa-back＞0。其中，δ 為刺穿深度，r表示徑向，a 表示軸向，front 表示前端面，back 表示后端面。隨卸料周期增加，磨損程度增加，銷軸及動(dòng)臂的孔、孔和軸磨損后孔呈凹形，軸呈凸鼓形，對應(yīng)磨段兩端磨損嚴(yán)重，呈曲線過渡，孔兩端在a、b 和f、e 四點(diǎn)處啃軸。d'、d、D'、D 表明工作副間孔、軸壓力大[6]。

圖1 孔和軸兩點(diǎn)接觸示意

1 銷軸單次不磨損壓下量深度臨界值確定

在滿載回轉(zhuǎn)制動(dòng)時(shí)，由于受傾覆力矩和慣性力的作用，動(dòng)臂會有小幅度偏擺，造成動(dòng)臂剪切銷軸的情況，要使銷軸達(dá)到不磨損，則臨界條件為彈性變形轉(zhuǎn)化到塑性磨損接觸力的臨界值。根據(jù)實(shí)際情況，起重臂與銷軸連接處已磨損為初始加工倒圓角，建立如圖2 的EPS 模型[7]：

在剛性壓下的過程中，若僅考慮銷軸的剪切變形和剪切強(qiáng)度，所得接觸區(qū)的剪切變形模型如圖2 所示。其中，倒圓角半徑R2，δ 為壓下量，α 為剪切角。AA'和BB'截面上的剪應(yīng)力均勻分布。在壓下過程中，若最大接觸力小于塑性剪切力2σs（σs=τsA），則接觸處于彈性加載階段，根據(jù)剪切胡克定律得：

圖2 彈塑性剪切變形模型（EPS 模型）

其中，F(xiàn) 為法向接觸力，A 為截面面積，G 為剪切模量。在彈性變形階段，線段AO 與弧AB 相切于A 點(diǎn)，剪切角α 很小，則有：

由于剛性質(zhì)量倒圓角的壓頭對弧AB 以外區(qū)域表面曲率的影響很小，故忽略不計(jì)，由式（3）和式（4）得：

當(dāng)法向接觸力達(dá)到塑性剪切力2Qs，銷軸開始發(fā)生剪切塑性變形，對應(yīng)的臨界角為，臨界壓下量為

2 質(zhì)心的確定

回轉(zhuǎn)制動(dòng)時(shí)，由于受傾覆力矩和慣性力的影響，臂架會繞質(zhì)心O 擺動(dòng)。根據(jù)回轉(zhuǎn)工況：鏟斗滿載、斗桿全部伸出、方向處于水平回轉(zhuǎn)。設(shè)定起重臂、斗桿、鏟斗質(zhì)量分布基本均勻，建立直角坐標(biāo)系，如圖3 坐標(biāo)系。

圖3 質(zhì)心坐標(biāo)位置

其中，AB 表示鏟斗和物料且其長度為l1、質(zhì)量為m1；BO 表示斗桿且其長度為l2、質(zhì)量為m2；CD 表示起重臂且其長度為l3、質(zhì)量為m3；O1為AB 的質(zhì)心其坐標(biāo)為（xO1，0）；O2為BO 的質(zhì)心其坐標(biāo)為（xO2，0）；O3為CD 的質(zhì)心其坐標(biāo)為（xO3，yO3）；則整個(gè)工作裝置的質(zhì)心為式（6）和式（7）。銷軸的質(zhì)心坐標(biāo)為（xD，yD）；距離銷軸中心線的距離為式（8）。

3 偏心角臨界值的確定

挖掘機(jī)回轉(zhuǎn)制動(dòng)時(shí)，此分析建立在支撐處已磨損導(dǎo)致動(dòng)臂與銷軸直接接觸的情況，其圓角M 繞質(zhì)心O旋轉(zhuǎn)到磨損深度臨界點(diǎn)處，如圖4 所示。

其扇形MOM1的角度為偏心角臨界值θ，計(jì)算公式為式（9）、式（10），其中QM'為彈性變形塑性變形轉(zhuǎn)化的臨界壓下深度。

則理論上該WK-4 結(jié)構(gòu)在其滿載回轉(zhuǎn)制動(dòng)時(shí)刻其銷軸理論達(dá)到不磨損時(shí)偏心角臨界值為式（11）。

將偏心角控制在偏心角臨界值，銷軸將會達(dá)到不磨損。

4 結(jié)束語

通過對WK-4 的結(jié)構(gòu)分析，為了使銷軸不磨損，建立單次碰撞接觸的EPS 的模型，得出彈性變形塑性變形轉(zhuǎn)化的臨界壓下深度，應(yīng)用幾何關(guān)系確定工作裝置的質(zhì)心并求出偏擺半徑，最后得出銷軸不磨損的偏心角臨界值。對于偏心角大于偏心角臨界值的機(jī)構(gòu)，需要以加支撐的方式將偏心角控制在偏心角臨界值內(nèi)，即實(shí)現(xiàn)理論上連接銷軸不磨損。

圖4 動(dòng)臂與銷軸接觸過程簡化